沸石、蒙脱石、硅胶、磷酸盐、石墨烯……抗菌材料的研究及应用

抗菌材料是一类具有抑菌或杀菌性能的新型功能材料，其抗菌性可以通过在高分子材料中添加适量的抗菌剂，或以其他方式将抗菌剂引入到载体材料中。沸石、蒙脱石、硅胶、磷酸盐、石墨烯以及稀土等材料，因具有孔隙率高、比表面积大、吸附性能好、化学性质稳定且持久缓释等优点，成为了抗菌材料载体的优良选择。

主要的无机抗菌材料

1.无机抗菌材料

依据化学物质内部成分的不同，可以将抗菌材料分为天然、无机和有机抗菌材料。其中，无机抗菌材料又可以分为3类：一是带有抗菌功能的金属离子与无机载体合成的无机抗菌材料；二是在有光源条件下可以产生抗菌物质的金属氧化物；三是金属有机骨架化合物(MOFs)抗菌材料。本文以无机抗菌材料中的前两类为例，阐述抗菌材料与载体材料的研究及应用情况。

1.1含金属离子型抗菌材料

大部分的金属离子具有抗菌效果，其中银离子最强，锌、铁离子相对较弱。通过强静电吸附作用或离子交换法将金属离子合成到载体上制备抗菌材料，这些载体与离子之间的吸附作用很强，有利于金属离子与载体相结合。

负载金属离子的抗菌机理是，金属离子进入细胞膜内，导致细菌渗透性发生改变。其次，金属离子黏附在细菌的细胞壁上，载体可以持久、高效地释放金属离子，导致细菌无法与外界进行物质交换，达到杀菌的作用。

1.2光催化金属氧化物型抗菌材料

光催化型抗菌材料是指金属氧化物(如常见的ZnO、TiO2)必须在有光照的情况下，才能具有抗菌效果。抗菌机理是，金属氧化物可以吸收光能，发生电子跃迁，生成带有强氧化还原性的物质，该物质与细菌细胞内的物质发生反应，阻碍了细胞内物质的正常合成，从而达到抑制细菌生长的作用。

2.无机抗菌材料及载体研究应用

2.1沸石

沸石是一种具有较大比表面积的三维骨架环状结构的结晶型硅铝酸盐，因为沸石结构中的铝-氧和硅-氧四面体电价不平衡，使得其易吸收金属阳离子，从而沸石具有很强的阳离子交换能力。Alswat等用沸石作为载体进行氧化锌抗菌材料的改良，实验结果发现用载体负载后氧化锌有着更强的抗菌性能，这是因为沸石载体可以防止纳米粒子发生聚集的现象。Williams等研究发现，纳米粒子的比表面积越大，会增大与细菌接触反应的面积，从而起到了更好的抗菌作用，并且粒径为纳米级时，纳米氧化锌的表面活性也较强。此外，沸石还可以载铜、银锌、铜锌等，是使用最广泛的抗菌剂载体。

2.2磷酸盐

磷酸钛盐及磷酸三钙、羟基磷灰石等具有降解性的磷酸钙类物质常作为磷酸盐类材料抗菌剂载体，且磷酸钙对生物有较好的亲和性。虽然磷酸盐的载银量远小于沸石的载银量，抗菌效果也不如沸石，但其具有耐高温、不变色的特点。深圳清华大学研究院以磷酸盐为载体，抗菌活性成分用银，制备得的含银无机固体抗菌剂在抗菌纤维、抗菌塑料、抗菌陶瓷等领域得到应用。

2.3半导体氧化物

TiO2光催化型抗菌剂可以吸收外界的光电子能量，形成的超氧负离子(O2-)和羟基自由基(-OH)具有强氧化还原能力，让微生物的蛋白质和脂质分解，进而抑制或杀灭有害微生物。通过制备TiO2薄膜和粉体，既可以使材料的禁带变宽，提高电子/空穴的氧化还原电势，又可以增大材料的表面积，能产生更多的活性氧，提高材料的催化活性。刘秀娥等人通过沉淀沉积法和光致还原法在TiO2的表面沉积了卤化银(AgX)和银-卤化银(Ag-AgX)，并且显示出有着更好的抗菌及光催化活性。

2.4硅胶

抗菌活性硅胶是一种典型的高活性多孔吸附材料，具有丰富的孔道结构和大比表面积。硅橡胶具有对人体组织无毒、生物相容性好等特点，因而广泛用于医疗领域。Tang等将载银磷酸锆纳米粒子与硅橡胶组分混合，制备抗菌硅橡胶材料，使用物理方法对硅胶表面进行改性，使抗菌涂层牢牢地键合在改性后的硅胶表面，改性之后得到的抗菌材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌率高达98%以上，抗菌性能优异。

2.5稀土

稀土材料因特殊的外电层结构使其具有不同的物理、化学性能，因而被广泛用于抗菌、发光、成像等领域。材料中的稀土可以通过与其他金属氧化物掺杂以提高抗菌效果，还可以通过与有机物配合制备抗菌材料。郭韵恬等制备了掺杂稀土镧的复合包装薄膜。掺杂稀土镧使TiO2的晶层更加紧密，抗菌性能提高，对草莓等水果的保鲜有良好的促进作用。

2.6石墨烯

石墨烯不仅具有良好的物理、化学性能，而且被发现具有一定的抗菌效果，通过与金属复合还可以提高其抗菌性能。姜国飞等以还原氧化石墨烯为载体，将Cu与ZnO复合制成的纳米级颗粒附着在石墨烯上，制备出具有抗菌功能的复合抗菌材料。材料中的还原氧化石墨烯会对大肠杆菌的细胞膜造成损伤，导致细胞内的物质不受大肠杆菌的控制而流出，最后使大肠杆菌死亡。

结语

无机抗菌剂的耐热性能好，不产生抗药性、不挥发、具有较好的安全性、抗菌范围广。然而，这类试剂也存在抗菌迟效性、银系易变色、钛系受光照限制等缺点。因此，如何同时兼顾抗菌剂的高效性、安全性、长效性、稳定性并且生产成本较低、工艺合成路线简单，是今后抗菌剂的重要研究方向。

参考来源

刘姝瑞，等：抗菌材料的研究进展，陕西省功能材料染整创新工程中心

刘呈坤，等：常见抗菌材料的研究进展，西安工程大学

汪子翔，等：抗菌材料及抗菌剂的研究现状及前景展望，沈阳工业大学